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Les chercheurs ont développé une structure quasi cristalline qui génère des mini-vortex de lumière pouvant transporter d’énormes quantités de données. Il est composé de nanoparticules métalliques disposées très précisément pour générer tout type de vortex — en interagissant avec un faisceau de lumière contenu dans un champ électrique. Appliquée aux fibres optiques, la structure pourrait transporter 8 à 16 fois plus d’informations que les systèmes actuels.
La transmission d’informations à l’ère numérique repose en grande partie sur le codage des données photoniques. Les fibres optiques constituent actuellement l’infrastructure la plus utilisée à cet effet. Cependant, la demande croissante en matière de capacité d’information nécessite le développement de systèmes capables d’encoder et de transporter de plus grands volumes de données.
Les vortex lumineux sont explorés depuis plusieurs années afin d’optimiser le transport photonique de l’information. Ces vortex visent à manipuler les défauts topologiques de la lumière afin de contrôler la manière dont elle est réfléchie et les informations qu’elle véhicule. Si certains défauts topologiques se forment spontanément et sont omniprésents dans la nature, d’autres peuvent résulter de la symétrie de la structure des matériaux avec lesquels la lumière interagit. Cela affecte la forme et la structure du vortex résultant.
Par exemple, les matériaux dont la structure est disposée en carrés (ou tuiles) génèrent des vortex simples, tandis que les motifs hexagonaux génèrent un double vortex et ainsi de suite. Les tourbillons plus complexes nécessitent au moins des structures octogonales. Cependant, générer des trous de ver suffisamment complexes pour le codage des données pose un défi de taille.
La nouvelle conception de l’équipe de l’Université Aalto (en Finlande) surmonte ces défis et pourrait générer n’importe quel type de vortex. ” Cette recherche se concentre sur la relation entre la symétrie des vortex et la rotationnalité, c’est-à-dire quels types de vortex peuvent être générés avec quels types de symétries. Notre design quasi-cristal est à mi-chemin entre l’ordre et le chaos », explique dans un communiqué Päivi Törmä, qui a dirigé l’étude, publiée dans la revue Nature
Communications.
Vers des infrastructures de télécommunications de nouvelle génération
Le design est un quasi-cristal composé de nanoparticules métalliques. Comme les cristaux classiques, les quasi-cristaux ont un spectre de diffraction discret, mais contrairement aux premiers, leur structure n’est pas périodique. Pour créer leur quasi-cristal, les chercheurs ont manipulé 100 000 nanoparticules métalliques dont le diamètre ne dépasse pas le centième d’un cheveu humain. L’ensemble interagit avec un faisceau lumineux dans un champ électrique contrôlé.
La structure du vortex lumineux généré est comparable à un cyclone. Il possède un « œil » calme et sombre au centre qui est entouré d’un anneau de lumière vive composé de ruisseaux orientés dans différentes directions. Pour identifier la disposition optimale pour générer les vortex complexes, l’équipe a adopté une approche contre-intuitive consistant à identifier les points où les particules interagissent le moins avec le champ électrique.
« Un champ électrique présente des points chauds de fortes vibrations et des points où il est pratiquement inactif. Nous avons introduit des particules dans les points morts, ce qui a désactivé tout le reste et permis de sélectionner le domaine présentant les propriétés les plus intéressantes pour les applications. », explique Jani Matti Taskinen, co-auteur principal de l’étude.
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Émission laser à charge topologique élevée dans des modes quasi-cristallins plasmoniques. © Kristian Arjas et al.
Cette technique permettrait ainsi d’ajuster les motifs de manière à générer des structures vortex complexes en fonction des besoins. ” Notre conception quasi-cristalline utilise la théorie des groupes pour déterminer les nœuds de champ électromagnétique, où les nanoparticules plasmoniques sont positionnées pour maximiser le gain. », écrivent les experts dans le document. La théorie des groupes est une méthode de calcul permettant de prédire le type de déformation que pourrait subir la structure d’un matériau.
Ces vortex complexes permettraient de stocker de gros volumes d’informations dans un espace réduit. Ils pourraient être transportés via des fibres optiques puis décompressés une fois arrivés à destination. Selon les estimations de l’équipe, ces fibres permettraient, dans le meilleur des cas, de transporter 8 à 16 fois plus d’informations que celles actuelles.
Cette approche pourrait ouvrir la voie à une nouvelle génération d’infrastructures de télécommunications. Toutefois, les améliorations nécessaires du concept pour des applications pratiques nécessiteront encore plusieurs années de recherche, ont indiqué les scientifiques.
